探析光伏發(fā)電項目柔性支架施工技術

武曉鵬

（山西五建集團有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

太陽能的開發(fā)與利用是調(diào)整能源發(fā)展戰(zhàn)略及電力結構的關鍵舉措，隨著各地對環(huán)境污染、能源消耗問題越來越重視，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)受到更多的重視。通過建設光伏電站，對能源結構予以改善，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。對于大跨徑項目而言，采取傳統(tǒng)的剛性支架受多重因素影響，不僅靈活度不足且經(jīng)濟性不夠理想。柔性支架的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，借助于柔性組件為光伏板及活荷載起到支撐作用，保證整體結構的穩(wěn)定性。

1 工程概況

山西省某100MWp光伏發(fā)電項目，地處山區(qū)，該廠區(qū)可方便接入電網(wǎng)，日照豐富且交通便利，滿足光伏電站的建設需求。在項目建設過程中充分利用山區(qū)荒坡，運用預應力鋼索結合鋼結構，將太陽能光伏組件架空，實現(xiàn)380000m2的綜合利用，共計安裝185198塊540Wp單晶硅光伏電池組件，總裝機容量達100.00692 MWp。該項目通過52個光伏方陣單元逆變升壓至35kV電壓等級后接入新建的220kV升壓站，通過1回220kV線路接入當?shù)?00kV升壓站，線路長度約26km。

2 方案論證

光伏發(fā)電項目是借助于光伏組件將太陽能向直流電能轉變，在并網(wǎng)型逆變器作用下將直流電能向和電網(wǎng)頻率相同且相位相同的交流電轉變，經(jīng)過低壓配電后向電網(wǎng)并入。

當前索支架光伏發(fā)電項目雖已有成功案例，但裝機容量及規(guī)模如此大的在全國屈指可數(shù)。在本項目中光伏組件的基礎設計及預應力索支架是技術難點。一方面支架的基礎形式需確保方陣整體的穩(wěn)定性，另一方面鋼索的預應力大小及規(guī)格的計算需保證系統(tǒng)受風振和雪載后與預加應力的平衡性。

柔性光伏支架主要構成包括預應力索、端梁組件、立柱組件、光伏板固定組件以及鋼纜緊固件等，借助于連接件將光伏組件固定于預應力鋼索上，隨著預應力的施加使鋼索產(chǎn)生剛度，形成光伏組件的安裝支架。圖1為柔性光伏支架?？梢姵沃獠粫加闷渌臻g，土地利用率高且鋼材使用量少，成本造價低，該技術方案具有較好的經(jīng)濟性、可行性及環(huán)保性[1]。有效解決在各種地形不限于山地的大跨徑建設光伏項目的難題，實現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的融合。

圖1 柔性光伏支架

3 確定光伏柔性支架拉索受力和撓度容許值

3.1 拉索抗力分項系數(shù)

索結構采取極限狀態(tài)設計方法進行設計，利用分項系數(shù)設計表達式計算，拉索的抗拉力設計值由式（1）進行計算[2]。

式中：F——拉索的抗拉力設計值；Ftk——拉索極限抗拉力標準值（本項目?15.2熱鍍鋅鋼絞線取值為260.4 kN）；γR——拉索抗力分項系數(shù)，取值2.0。

結合既往工作實踐，抗力分項系數(shù)取值不合理將影響到承載索的使用壽命，應盡可能拉緊承載索。試驗結果表明，抗力分項系數(shù)在2～4時，不會對其耐久性產(chǎn)生影響，取值為2.1時，使用壽命最長[3]，若取值在4.5以上則將大大縮短承載索壽命。因此，本項目中所選拉索抗力分項系數(shù)為2.0，能夠保證整體機構的安全性及耐久性，經(jīng)計算拉索抗拉力最大設計值為130.2kN。

3.2 索結構變形撓度容許值

與傳統(tǒng)的剛性支架不同，柔性支架對變形的要求不高，在相關技術規(guī)程中規(guī)定，對于雙層索系屋蓋，若平面為矩形，應以跨度的1/15～1/20作為承重索的垂度。考慮到工程索道和柔性支架在結構上具有一定相似性，本項目對索道中撓度的相關規(guī)定予以參考，為避免索道浮動現(xiàn)象，應將撓度和跨距的比例控制在1/14～1/16[4]。結合工程實踐及理論研究，本項目以最大跨度的1/15作為撓度容許值，保證方案的經(jīng)濟性，在變形條件下不會對鋼絞線的力學性能產(chǎn)生影響。

4 確定光伏陣列

4.1 陰影分析

本項目于山地搭設光伏組件，陰影分析主要考慮列陣間的相互遮擋問題，經(jīng)PVsyst軟件模型計算固定安裝系統(tǒng)的方陣傾角在15°～39°時，最接近于年總輻照量的最大值，相比較而言能夠布設更多的光伏板。通過系統(tǒng)分析發(fā)電量及光伏板安裝容量，將光伏組件的傾角確定為15°，組件最低點距離地面2m，留有充足的運維空間，且不會導致下方空間光線不足的問題，可實現(xiàn)牧光互補。

太陽能電池組件縱向一塊布置，多晶硅太陽電池組件尺寸為1134mm×2279mm，經(jīng)計算確定太陽電池組件陣列間距為600mm，經(jīng)PVsyst軟件仿真模擬，豎向排布組件前后排凈距為600mm時，全年在9∶00—15∶00時均無遮擋[5]。綜合分析比較，本項目實施豎排布置，南北方向和東西方向組件的凈距分別為600mm和100mm。圖2為柔性支架組件安裝效果。

圖2 柔性支架組件安裝效果

4.2 光伏組串

為實現(xiàn)逆變器轉換效率最大，需依照逆變器參數(shù)串并聯(lián)光伏組件，考慮到逆變器最大功率跟蹤電壓范圍限制著并聯(lián)支路的光伏組件串聯(lián)數(shù)量，需保證光伏組串的最佳工作點電壓小于最大功率跟蹤電壓，同時逆變器最大輸入功率也將限制總的并聯(lián)支路數(shù)。因此，串聯(lián)組件數(shù)在18～22塊滿足參數(shù)要求，結合項目實際為便于施工，每個串聯(lián)電路以18塊組件進行設計。

5 柔性支架施工技術流程在光伏發(fā)電項目中的應用

5.1 施工前準備工作

施工前準備工作包括以下3點：①檢查支架及零部件，在支架安裝前以20%的比例對支架進行抽檢，以施工設計圖紙為標準對支架及零部件的尺寸進行檢驗，檢查外觀是否有形變、倒刺或毛邊問題。依據(jù)施工設計要求對所有零部件防腐處理，確保在污水池環(huán)境下不會出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。對于運輸途中出現(xiàn)的涂層破損，于現(xiàn)場及時進行補涂。②檢查光伏支架連接件質(zhì)量符合國家標準，在螺栓緊固后確保漏出的螺栓長度符合設計要求，即漏出長度在20～30mm。③技術交底，現(xiàn)場施工作業(yè)人員對柔性支架安裝工藝、施工質(zhì)量標準、施工工期規(guī)劃以及施工組織設計等方面進行全面的技術交底。

5.2 復測支架基礎

依據(jù)設計要求檢查支架基礎平面位置、幾何尺寸、標高、軸線等，確?；緟?shù)滿足安裝需求，若支架基礎和設計文件中的要求存在偏差，則先基礎糾偏，確保合格后再進行后續(xù)的安裝施工，以保證安裝施工質(zhì)量。

5.3 立柱、箱梁及交叉梁安裝

利用吊車進行立柱吊運安裝，在吊裝前規(guī)劃吊車的行車路線及作業(yè)平臺，確保吊車入場后順利支設立柱，進場后由現(xiàn)場設備管理人員檢查吊車的作業(yè)環(huán)境、鋼絲繩、吊具等，確保滿足吊運要求后再進行吊裝作業(yè)。吊運過程中由主吊和副吊分別就立柱的兩端固定，吊裝到位后，將起吊點設置在立柱的重心以上位置，于地面提前設置木墊塊，立柱根部著地避免柱腳接觸地面而損壞。起吊立柱垂直至置頂位置后予以安裝。在固定安裝后，對立柱垂直、水平等參數(shù)進行檢驗、調(diào)整，確保立柱安裝偏差在標準規(guī)范內(nèi)。柱腳螺栓設置為雙螺母并利用扳手將螺母鎖緊，固定立柱后吊裝頂部箱梁，和柱頂找正后加固鎖死。東西方向最外側部分實施桁架結構，在橫梁和立柱焊接好后進行整體吊裝，完成吊裝后通過螺栓連接斜梁和主體架構并予以調(diào)整。上下兩層設置交叉支撐，在層間設置橫撐，以焊接和鉸鏈方式連接交叉梁和橫撐，完成安裝后調(diào)整整體結構，確保結構穩(wěn)定性。

5.4 安裝地錨

本項目所用地錨為混凝土灌注樁，結合現(xiàn)場實際需求選取?100×6無縫鋼管，根據(jù)事先放線定位利用打樁機打孔并灌注2.5m深度，灌注樁施工完畢后，在地錨和箱梁間使用轉接件和鋼纜，依照設計拉力要求設置成鋼架網(wǎng)，緊固處理鋼纜轉接件。

5.5 安裝鋼纜

本項目鋼纜安裝包括東西走向的主鋼纜和南北走向的輔助鋼纜，東西方向為上拉和下拉主鋼纜，安裝時依據(jù)施工圖紙要求利用UT連接器和箱梁連接，將鋼纜的一端固定于指定位置后，利用牽引繩將鋼纜在對端做好拉緊與固定，并對張力予以調(diào)整。南北方向共設計4根輔助鋼纜，利用UT連接器和箱式立柱做好連接固定，支架安裝完成后對其進行檢查調(diào)整，安裝基本要求如表1所示。

表1 支架安裝檢查調(diào)整

5.6 安裝組件

①支架體系經(jīng)質(zhì)量驗收表面無銹蝕且連接穩(wěn)固牢靠后安裝組件。②安裝組件前在立柱位置搭設腳手架用以放置貨物，利用吊車將組件運送至平臺后，由2根鋼絲繩于組件安裝位置設置寬度在1.5～5m的空中安裝通道。在主鋼纜、支架橫梁連接處利用環(huán)形緊固卡具將鋼絲繩鎖死，腳手板鋪設于鋼絲繩上并以U型鎖具進行固定，在通道兩側布設水平扶手繩并和立面防護網(wǎng)做好連接固定。完成空中安裝通道的鋪設后，下方鋪滿垂直距離為0.5m的水平防護網(wǎng)，將安裝通道南北相鄰兩個立柱的距離作為水平防護網(wǎng)寬度，東西向在相鄰安裝通道的鋼絲繩上做好固定，對攔網(wǎng)搭接處做好綁扎。③組件安裝以東西向主鋼纜為安裝依據(jù)，保證電池板上下尺寸相等，南北向邊框整齊。安裝左右邊框時，利用不銹鋼夾具依照上文設計間距固定安裝，確保同排內(nèi)組件連接盒的位置一致，為接線施工提供便利，組件安裝完畢避免其與鋼纜接觸。④光伏組串，每個組串串聯(lián)18塊光伏板，串聯(lián)后的光伏組串分別對接相應的匯流箱。⑤光伏組件接地，依據(jù)施工設計要求，對組件和組件之間、組件和主體架構之間利用6mm2線進行連接并設置墊片。

5.7 電氣接入施工

本項目所產(chǎn)生的電能接入新建220kV升壓站輸出至電網(wǎng)。

系統(tǒng)中光伏并網(wǎng)設置斷路器予以保護，同時設置隔離開關，特殊需求下能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)和電網(wǎng)相分離，保證光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全，在并網(wǎng)一側安裝電力檢測和顯示儀表等設備，實現(xiàn)運行參數(shù)的實時觀測。

6 結語

綜上所述，對于大跨徑區(qū)域建設光伏發(fā)電項目運用光伏柔性支架結構，相比于傳統(tǒng)的剛性支架具有土地占用率低、結構穩(wěn)定、布置靈活、成本低等優(yōu)勢。本文以山西省某光伏發(fā)電項目為背景，經(jīng)系統(tǒng)計算光伏柔性支架的拉索抗拉分項系數(shù)為2.0，變形撓度容許值為1/15跨度，每個串聯(lián)電路以18塊組件進行設計。落實柔性支架安裝施工流程，支架整體穩(wěn)定性良好，實現(xiàn)了太陽能源的充分運用，具有較好的綜合效益。